低溫發(fā)電凝結(jié)水換熱器管束失效原因分析

邵子君

摘 要：通過對芳烴聯(lián)合裝置低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)用熱媒水/凝結(jié)水換熱器E902A/B管束多次失效情況和腐蝕形貌、運(yùn)行工況、設(shè)備結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)該換熱器因凝結(jié)水實(shí)際流量較設(shè)計(jì)流量偏大，在氣液兩相，以及凝結(jié)水中含有的氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕共同造成管束失效。采取了增加防沖擋板、升級管板材質(zhì)的措施，有效延長了管束運(yùn)行周期，并提出了進(jìn)一步優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水;失效;沖刷;腐蝕

1 情況介紹

熱水發(fā)電項(xiàng)目是某石化芳烴聯(lián)合裝置的重要組成部分，利用低溫?zé)崮塬@得熱水來循環(huán)發(fā)電，達(dá)到節(jié)能降耗，實(shí)現(xiàn)效益，熱媒水/凝結(jié)水換熱器E902A/B是該系統(tǒng)兩臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備。但自2013年裝置開工以來，該換熱器管束發(fā)生3次泄漏，均為A臺(tái)管束泄漏失效，B臺(tái)管束運(yùn)行正常。

熱媒水/凝結(jié)水換熱器E902A/B共兩臺(tái)，型號是：BES700-1.6-155-6/19-4I，兩臺(tái)換熱器規(guī)格、型號相同，串聯(lián)運(yùn)行，A前B后，管束材質(zhì)為10#鋼，管程介質(zhì)為蒸汽凝結(jié)水，操作壓力0.45MPa，操作溫度160/92℃，實(shí)際流量47t/h，設(shè)計(jì)流量35t/h;殼程介質(zhì)為熱媒水（除鹽水），操作壓力0.7MPa，操作溫度69/120℃，流量約80t/h。

芳烴置換各部位換熱后的中低壓蒸汽凝液經(jīng)低低壓蒸汽凝結(jié)水罐D(zhuǎn)904閃蒸，0.45MPa低低壓蒸汽經(jīng)罐頂并入蒸汽管網(wǎng)，罐底凝結(jié)水經(jīng)液位控制調(diào)節(jié)閥與其他裝置來的凝結(jié)水混合后流入E902A/B管程，作為熱源加熱換熱器殼程除鹽水，被加熱的除鹽水作為媒介進(jìn)入低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，被冷卻后的凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水罐D(zhuǎn)910后由泵送出裝置，工藝流程詳見圖1：

2 檢查與分析

2.1 宏觀檢查

該換熱器2013年底投入運(yùn)行，在2014年12月發(fā)現(xiàn)有泄漏，2016年初再次發(fā)生泄漏，檢修更換成316L材質(zhì)管束。拆檢發(fā)現(xiàn)E902A管束受損傷部位、形貌特征等和2014年底拆檢情況相似，第一管程固定管板表面損傷嚴(yán)重，大部分換熱管焊口開裂，管箱隔板局部有損傷，但第一管程換熱管由于用316L襯管保護(hù)，管口未見明顯減薄。3次檢修對換熱器E902B管束檢查，均未發(fā)現(xiàn)有泄漏。

2.2 運(yùn)行工況

換熱器自投用以來，一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行工況，未發(fā)生過開、停車故障，用聽診設(shè)備監(jiān)聽換熱器運(yùn)行情況，可以發(fā)現(xiàn)換熱器內(nèi)部存在液擊聲。對操作參數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)管程實(shí)際凝結(jié)水量與設(shè)計(jì)存在偏差，設(shè)計(jì)凝結(jié)水流量34t/h，實(shí)際生產(chǎn)中流量達(dá)到47t/h，最大流量甚至達(dá)到53t/h，在管徑一定的情況下，流量增大會(huì)引起流速增大，流速的增大會(huì)造成介質(zhì)對管道彎頭、管束的沖刷作用增強(qiáng)。

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

E902A/B兩臺(tái)管束固定管板用16MnⅢ材質(zhì)，換熱管用10#鋼，換熱管與管板之間強(qiáng)度焊加貼脹，管程入口均未安裝防沖設(shè)備，兩臺(tái)換熱器管束采用同樣規(guī)格、同樣材質(zhì)、同樣的生產(chǎn)加工工藝生產(chǎn)制造。

2.4 數(shù)據(jù)分析

換熱器管程介質(zhì)是凝結(jié)水，殼程介質(zhì)是熱媒水，通過對介質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)存在Fe2+，介質(zhì)中存在的Cl-和硫化物含量非常低，難以引起管束的腐蝕，通過管束腐蝕形貌也可以肯定腐蝕主要以局部腐蝕為主。

3 腐蝕原因分析

3.1 沖刷腐蝕

由于流體和金屬表面間的相對運(yùn)動(dòng)，流體在彎頭、三通、變徑管等處突然改變方向，對金屬及金屬表面的鈍化膜產(chǎn)生機(jī)械沖刷破壞作用，金屬以溶解的離子狀態(tài)脫離表面，或是生成固態(tài)腐蝕產(chǎn)物，然后受機(jī)械沖刷脫離表面，沖刷腐蝕中腐蝕電化學(xué)作用與流體動(dòng)力學(xué)作用同時(shí)存在，相互促進(jìn)，腐蝕的形貌特征表現(xiàn)為槽、溝、波紋和山谷形等，還常常顯示有方向性，一般這種腐蝕速度很快。結(jié)合入口管線彎頭減薄，第一管程固定管板、管箱隔板損傷形態(tài)，以及帶有方向性向第二、第三管程延伸的溝槽和蝕坑特征，分析發(fā)現(xiàn)符合沖刷腐蝕現(xiàn)象。

凝結(jié)水由中低壓蒸汽換熱后再經(jīng)過低低壓蒸汽凝結(jié)水罐D(zhuǎn)904閃蒸后而來，溫度高達(dá)160℃，凝結(jié)水中必然夾帶著氣泡，形成氣液兩相條件。凝結(jié)水經(jīng)管道流入換熱器管箱的過程中，一方面由于高速流動(dòng)與金屬表面發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)引起金屬表面損傷;另一方面夾帶氣相的凝結(jié)水在管口處局部區(qū)域壓力瞬間降低，形成空泡腐蝕，如水錘作用使管板表面遭受嚴(yán)重的損傷，在沖刷腐蝕和空泡腐蝕的協(xié)同作用下導(dǎo)致管道彎頭、管束的腐蝕失效。2014年12月檢修后，工藝調(diào)整操作，關(guān)小管程出口凝結(jié)水入罐閥門，這一操作致使管程凝結(jié)水進(jìn)換熱器壓力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致凝結(jié)水在管束內(nèi)部的流動(dòng)形態(tài)和氣液相能量釋放位置發(fā)生變化，所以對管束的破壞部位也發(fā)生變化，加大了對固定管板第二管程端面、換熱管管口及浮頭的沖刷作用，從檢修情況也得到驗(yàn)證。流速在沖刷腐蝕中起重要作用，一般隨流速的增大，沖刷腐蝕速度隨之增大，由于該換熱器設(shè)計(jì)偏小，實(shí)際運(yùn)行流速大于設(shè)計(jì)流速，這也增大了凝結(jié)水對換熱器管束的沖刷作用，加快了管束腐蝕失效。

3.2 氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕

由于蒸汽凝結(jié)水系統(tǒng)的非封閉性等原因，凝結(jié)水中不可避免的含有氧。凝結(jié)水中氧的來源主要有兩方面，一是蒸汽中含有一定量的氧氣，在換熱過程中溶入凝結(jié)水中;另一個(gè)來源是由于凝結(jié)水系統(tǒng)在輸送過程中溶入空氣中的氧氣。凝結(jié)水中氧腐蝕形式是去極化腐蝕，由于管道為碳鋼，其腐蝕產(chǎn)物是鐵的氧化物，其腐蝕機(jī)理如下：

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e→4OH-

Fe2++2OH-→Fe（OH）2

Fe（OH）2在有氧的條件下是不穩(wěn)定的，可以進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物。凝結(jié)水的氧腐蝕發(fā)生后在金屬的表面形成一個(gè)個(gè)腐蝕坑，氧腐蝕一旦形成就會(huì)持續(xù)發(fā)生，很難阻止。凝結(jié)水的pH值、溶解氧濃度、流速、溫度均影響氧腐蝕速率。

凝結(jié)水中的CO2主要來源于蒸汽，蒸汽中的CO2主要是來自蒸汽發(fā)生器供水和碳酸鹽類在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的受熱分解，溶入凝結(jié)水中的CO2會(huì)形成弱酸H2CO3，其正常情況下分解為H+和HCO3-，其反應(yīng)機(jī)理如下：

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H++HCO3-

盡管凝結(jié)水中電離的H+不多，但對于相對純凈的凝結(jié)水來說，即使弱酸也會(huì)對pH值有較大影響。CO2的腐蝕是均勻腐蝕，不會(huì)沉積在金屬表面形成保護(hù)膜。

當(dāng)凝結(jié)水系統(tǒng)中CO2和O2同時(shí)存在時(shí)，對碳鋼等設(shè)備的腐蝕性會(huì)增強(qiáng)，所以，凝結(jié)水系統(tǒng)中氧的腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕也是引起該換熱器管束失效的另一個(gè)原因。

4 結(jié)論

綜上分析，導(dǎo)致E902A頻繁失效的主要原因是凝結(jié)水夾帶的氣相在高速流動(dòng)過程中造成的沖刷和空泡腐蝕，同時(shí)存在凝結(jié)水系統(tǒng)溶解的氧腐蝕和CO2形成的弱酸腐蝕的協(xié)同作用，但從失效形貌來看以沖刷腐蝕表現(xiàn)為主，而設(shè)計(jì)流量與實(shí)際流量的偏差，一定程度上增強(qiáng)了各種腐蝕的作用效應(yīng)，加快了管束失效的速度。

5 措施和建議

①管束材質(zhì)升級成316L，能有效延長該工況下?lián)Q熱器的運(yùn)行周期;②在A臺(tái)換熱器管箱隔板上增設(shè)格柵網(wǎng)防沖裝置，能有效降低凝結(jié)水對管束的沖刷腐蝕;③調(diào)整工藝介質(zhì)流速或?qū)Q熱器凝結(jié)水入口管徑增大，降低流速，以減小對彎頭、固定管板的沖擊作用;④蒸汽發(fā)生器供水盡可能使用除氧器除凈水中含氧，降低蒸汽中的溶解氧;并保證凝結(jié)水循環(huán)系統(tǒng)的密閉性，減少氧氣的進(jìn)入，防止氧腐蝕;⑤在換熱器設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)、合理選型;⑥對換熱器入口凝結(jié)水管道彎頭等部位增加測厚頻次，及時(shí)掌握管道減薄情況。